Устройство гидрометеорологоакустических наблюдений за акваторией морского полигона

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для гидрометеорологоакустических наблюдений за акваторией морского полигона. Сущность: устройство содержит блок синхронизации и управления, последовательно соединенные гидрофон, предварительный усилитель, линию связи, широкополосный усилитель, блок анализатора спектра, блок выделения участка спектра, блок классификации шума моря, блок определения скорости ветра, блок определения волнения моря. Выход блока анализатора спектра соединен со входом индикатора. Выход блока выделения участка спектра соединен со входом блока определения скорости ветра. Выходы блоков классификации шума моря, определения скорости ветра и определения волнения моря соединены со входами индикатора. Управляемый вход блока синхронизации и управления соединен с выходом блока классификации шума моря. Синхровыходы блока синхронизации и управления соединены с синхровходами блоков анализатора спектра, выделения участка спектра, классификации шума моря, определения скорости ветра, определения волнения моря. Дополнительно в устройство введены параметрический приемник звука, блок диагностики нелинейного параметра среды, узкополосный фильтр, спектральный анализатор акустических волн на комбинационных частотах, логический модуль. При этом выход параметрического приемника звука соединен со входом блока диагностики нелинейного параметра среды, вход которого соединен с выходом блока синхронизации и управления, а выход - со входом узкополосного фильтра. Выход узкополосного фильтра соединен со входом спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах. Выходы логического модуля соединены со входами индикатора и диспетчерской станции, а входы - с выходами спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах, блока анализатора спектра и диспетчерской станции. Технический результат: повышение достоверности получаемых результатов, расширение функциональных возможностей устройства. 12 ил.

 

Изобретение относится к стационарным системам одновременного определения скорости ветра на акватории, волнения поверхности моря и динамического подводного шума в акватории, предварительной обработки информации, передачи информации потребителю, а также может быть использовано в качестве метрологического обеспечения при юстировке (тарировке) измерителей параметров волнения, установленных на подвижных морских объектах и летательных аппаратах.

Известные устройства гидрометеорологических наблюдений за акваторией морского полигона [1, 2, 3, 4, 5, 6], как правило, решают конкретную задачу, заключающуюся в определении одного параметра, характеризующего текущее состояние окружающей среды, путем приборной регистрации сигналов с последующей их трансляцией на диспетчерские станции для последующей обработки полученной информации и передачи этой информации потребителям.

В известном устройстве [1], состоящем, по крайней мере, из двух электродов, соединенных с высокоомным вольтметром, измеряют градиент потенциала электрических полей, по которому определяют высоту волн. При этом устройства регистрации размещают в прибрежной зоне на глубине более 100 м группами и на удалении от береговой черты на расстояние до 4000 м и соединяют их линиями связи с береговой диспетчерской станцией. Данное устройство в основном используется для определения опасности цунами. Недостатком данного устройства является то, что для обеспечения достоверных наблюдений на обширной акватории морского полигона необходимо размещение значительного количества устройств регистрации, соединенных линиями связи с диспетчерской станцией, а также ограниченный диапазон измеряемых параметров.

В известном устройстве [2], представляющем собой устройство для измерения параметров волнения с летательных аппаратов, включающее блоки излучения, приема, усиления, формирования и преобразования радиосигналов, отраженных от морской поверхности, определение по мощности отраженных сигналов в зависимости от высоты полета на основании функциональных зависимостей высоты морских волн.

Для практической реализации данного устройства, для получения достоверной информации необходимо правильно выбрать и поддерживать на заданном уровне соотношение величин, характеризующих высоту полета летательного аппарата и длительность зондирующего короткого импульса, что возможно обеспечить только при благоприятных погодных условиях, что существенно ограничивает использование данного устройства для длительных и непрерывных наблюдений за акваторией морского полигона.

Известные устройства [3] представляют собой донные станции, устанавливаемые с носителей на дно моря и снабженные регистрирующей аппаратурой геофонного и гидрофонного типа для регистрации сигналов в частотном диапазоне от 3-5 до 200-300 Гц с трансляцией их на диспетчерскую станцию после всплытия по истечению трех недель, для последующей обработки и определения по функциональным зависимостям параметров, характеризующих окружающую среду в месте установки.

Недостатками данных устройств являются низкая автономность (не более 20-30 суток) и оперативность получения информации (только после всплытия), что практически исключает возможность их использования для оперативных наблюдений за акваторией морского полигона.

Известные устройства [4, 5] представляют собой дрейфующие станции (буи), снабженные регистрирующей аппаратурой для измерения сигналов, характеризующих температуру и давление окружающей среды, соленость и электропроводность морской воды, по значениям которых на основании функциональных зависимостей определяют гидрометеорологические параметры на акватории морского полигона. Данные станции снабжены спутниковой аппаратурой, что обеспечивает не только оперативную трансляцию на диспетчерские станции измеренной информации, но и позволяет дополнительно определять такие параметры, как текущие координаты буя, составляющие вектора скорости буя, а также восстанавливать профиль волнения путем осуществления совместной обработки текущей высоты и вертикальной скорости буя, поступающих от спутникового навигационного приемника с секундным темпом обновления на основании функциональных зависимостей с определением среднего уровня моря.

Однако при этом для получения достоверных параметров необходимо, по крайней мере, выполнение двух условий, обусловленных нахождением четырех спутников в границах зоны видимости полигона при удовлетворительном геометрическом факторе и необходимостью восстановления профиля волнения в следящем по частоте фильтре второго порядка астатизма с коэффициентом сглаживания α=10^-3 и собственной частотой фильтра ω₀=2π/6. В результате такой фильтрации получают сильно сглаженную первичную волну, так как вторичные волны через такой фильтр не проходят, и далее по функциональным зависимостям подсчитывают число периодов волны на заданном интервале при времени осреднения измеренной информации не менее двух часов.

Известные устройства за наблюдением морской поверхности, приведенные в [6], представляют собой когерентные РЛС, установленные на берегу, альтиметры, установленные на спутниках, радиодоплеровские измерители параметров волнения, установленные на летательных аппаратах, а также волнографы различных типов и т.п. обеспечивают решение ограниченного числа задач как по числу измеряемых сигналов, так и по объему определяемых параметров с необходимой точностью и достоверностью, что не позволяет их рассматривать в полной мере в качестве средств объективного контроля при гидрометеорологических наблюдениях за акваторий морского полигона, а тем более в качестве средств метрологического обеспечения.

Наиболее полный набор параметров, характеризующий состояние акватории морского полигона, обеспечивает устройство гидрометеорологических наблюдений за акваторией морского полигона [7], которое содержит последовательно соединенные гидрофон, предварительный усилитель, линию связи, широкополосный усилитель, анализатор спектра, выход которого соединен с первым входом индикатора, блок выделения участка спектра, блок классификации шума моря, блок определения скорости ветра и блок определения волнения моря, при этом вход блока выделения участка спектра соединен с выходом анализатора спектра, а выход со входами блока классификации шума моря и блока определения скорости ветра, первый выход которого соединен со входом блока определения волнения моря, а первый выход блока классификации шума моря, второй выход блока определения скорости ветра и выход блока определения волнения моря соединены со вторым, третьим и четвертым входами индикатора, блок синхронизации и управления, управляемый вход которого соединен со вторым выходом блока классификации шума моря, первый синхровыход соединен с синхровходами блока анализатора спектра и блока выделения участка спектра, а второй, третий и четвертый синхровыходы соединены с сихровходами блока классификации шума моря, блока определения скорости ветра и блока определения волнения соответственно, что позволяет использовать его в качестве стационарной системы одновременного определения скорости ветра на акватории, волнения поверхности моря и динамического подводного шума в акватории на основании измеренных сигналов и функциональных зависимостей, предварительной обработки информации и передачи информации потребителю или на диспетчерскую станцию.

Однако вывод, приведенный на с.7 описания, о том, что "шум судоходства резко спадает с частотой и в выбранном диапазоне на результаты измерений влияет слабо, хотя на частотах 5-7 кГц его влияние наблюдается", не в полной мере соответствует действительности.

Например, известно (см. например: 1. Сухаревский Ю.М. Статистика основных акустических параметров глубоководных районов океана и вероятная дальность действия гидроакустических систем // Акустический журнал, 1995, том 41, №5, с.848-864. 2. Справочник по гидроакустике / Евтютов А.П., Колесников А.Е., Корепин Е.А. и др. - 2-е изд. - Л.: Судостроение, 1988, - 552 с.), что интенсивность спектральных характеристик обобщенных шумов убывает с ростом частоты. Максимальные значения шумов морской среды регистрируются в инфразвуковом диапазоне (f≈1-10 Гц) и могут достигать 100-120 дБ. В мелководных районах шумы отдельных компонентов шума морской среды обычно на 10-20 дБ выше, чем в глубоководных. В диапазоне низких звуковых частот (от 10 до 300 Гц) превалируют относительно когерентные шумы судоходства (см., например: Ильичев В.И. Исследование поля акустического шума океана векторно-фазовыми методами // Акустика океанской среды / Под ред. Л.М.Бреховских. - М.: Наука, 1989, - с.140-152), интенсивность которых может достигать 70 дБ и более, при этом участок спектра с максимальными сигналами может сдвигаться с увеличением глубины (от частот f=50-100 Гц для мелководных районов и до f=20-80 Гц - для глубоководных). Для более высоких частот суммарная интенсивность шума морской среды определяется в основном скоростью ветра. В диапазоне 1-10 кГц уровень шума морской среды может значительно увеличиться (до 55 дБ) за счет шумов интенсивных дождей (см., например: Акустика в океане / Под ред. Л.М.Бреховских, И.Б.Андреевой. - М.: Наука, 1992, - 229 с.).

В целом характеристики шума морской среды сохраняют стационарность для реализаций продолжительностью от 10...20 с до 3...5 минут (см., например: Экспериментальные оценки стационарности подводных шумов океана / Аредов А.А., Дронов Г.М., Охрименко Н.Н., Фурдуев А.В. // Акустический журнал, 1994, том 40, №3, с.357-361).

Анализ вертикальной изменчивости шумов морской среды (см., например: Курьянов Б.М., Моисеев А.А. Исследование глубинной зависимости низкочастотных шумов океана с помощью буя управляемой плавучести // Акустический журнал, 1994, том 40, №3, с.380-384) показывает, что для частот менее 100-200 Гц наблюдается тенденция повышения интенсивности на 3-5 дБ вблизи оси подводного звукового канала по сравнению с данными измерений вблизи дна. На более высоких частотах эта зависимость может изменяться на обратную. В частности, отмечено (см., например: Деревянкина Е.И., Кацнельсон Б.Г., Любченко А.Ю. Вертикальная структура интенсивности низкочастотного шумового поля мелкого моря // Акустический журнал, 1994, том 40, №3, с.380-384), что при регистрации сигналов на частотах от 200 до 600 Гц в мелком море (глубины менее 120 м) вблизи оси подводного звукового канала наблюдаются минимальные значения интенсивности шума морской среды. Суммарные шумы морской среды обладают анизотропией как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. При измерениях направленными гидроакустическими датчиками вариаций шумов (см., например: Шмарфельд Б., Раух Д. Низкочастотные окружающие шумы и шумы, производимые судном в мелкой воде // Акустика дна океана / Под ред. У.Купермана и Ф.Енсена, пер. с англ., М.: Мир, 1984, - 460 с.) в азимутальной плоскости отмечалось повышение уровней интенсивности акустического сигнала на 4-5 дБ по направлениям на удаленные (1000 км) шторма и районы интенсивного судоходства. Для полей близких к точке наблюдений (до 100 км) гидродинамических источников наибольшая интенсивность наблюдалась с направлений, перпендикулярных к распространению ветровых волн.

Отсутствие в алгоритмах обработки гидрометеорологоакустической обстановки посредством ненаправленного гидрофона, размещенного в толще морской среды на глубине 100-150 м, учета геометрического фактора не позволяет определить такой важный параметр как угол прихода морских волн. Размещение устройства регистрации сигналов (ненаправленного гидрофона) на глубине 100 м для условий мелкого моря, для обычных условий акустической волны из-за влияния придонных течений могут распространяться под любыми углами скольжения, и их прямой "захват" маловероятен.

Кроме того, при использовании в алгоритмах обработки энергетического шума моря дискретного преобразования Фурье исследуемые процессы представляют собой суперпозицию гармонических колебаний в виде ряда или интервала Фурье, что, например, для анализа в гидрометеорологических исследованиях может вносить дополнительные погрешности, так как сумма двух периодических колебаний может быть непериодической функцией, например, при сложении синусоидальных колебаний с несоизмеримыми частотами, когда сложение ω и 2ω дает сложное непериодическое колебание.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей устройства с одновременным повышением достоверности при гидрометеорологоакустических наблюдениях за акваторией морского полигона.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройство, содержащее последовательно соединенные гидрофон, предварительный усилитель, линию связи, широкополосный усилитель, анализатор спектра, выход которого соединен с первым входом индикатора, блок выделения участка спектра, блок классификации шума моря, блок определения скорости ветра и блок определения волнения моря, при этом вход блока выделения участка спектра соединен с выходом анализатора спектра, а выход со входами блока классификации шума моря и блока определения скорости ветра, первый выход которого соединен со входом блока определения волнения моря, а первый выход блока классификации шума моря, второй выход блока определения скорости ветра и выход блока определения волнения моря соединены со вторым, третьим и четвертым входами индикатора, блок синхронизации и управления, управляемый вход которого соединен со вторым выходом блока классификации шума моря, первый синхровыход соединен с сихровыходами блока анализатора спектра и блока выделения участка спектра, а второй, третий и четвертый синхровыходы соединены с синхровыходами блока классификации шума моря, блока определения скорости ветра и блока определения волнения моря соответственно, дополнительно введены параметрический приемник звука, блок диагностики нелинейного параметра среды, узкополосный фильтр, спектральный анализатор акустических волн на комбинационных частотах, логический модуль, который своими выходами соединен с входом индикатора, входом диспетчерской станции, а входами с выходом спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах, выходом анализатора спектра, выходом диспетчерской станции соответственно, а параметрический приемник звука своим выходом соединен с входом блока диагностики нелинейного параметра среды, который вторым входом соединен с еще одним выходом блока синхронизации и управления, а выходом со входом узкополосного фильтра, который своим выходом соединен со входом спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах.

Ввод новых элементов, соединенных соответствующим образом помимо задач, решаемых каждым отдельно взятым известным устройством, позволяет по измеренным сигналам, характеризующим шум морской среды, определить более широкий диапазон параметров с одновременным повышением степени достоверности за счет регистрации шума морской среды в достаточно широком диапазоне частот с учетом таких физических явлений, как трансформация сейсмических волн в акустические на протяженном островном склоне, рассеяние акустических волн на случайных объемных неоднородностях водной толщи (флуктуациях показателя преломления), рассеяние акустических волн на взволнованной поверхности. А также в отличие от принятых гидрофоном акустических сигналов, которые разделены во времени и обусловлены первичным приходом продольных волн (Р-фаза) и вторичным приходом поперечных волн (S-фаза), скорость распространения которых в 2 раза меньше скорости продольных волн, обеспечивается возможность выделения третичного прихода волн (Т-фаза), скорость распространения которого близка к скорости звука в воде, а также путем регистрации низкочастотных составляющих рассеянного сигнала и использованием в качестве опорных квазигармонических высокочастотных сигналов, характеризующих шумы судоходства.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

Фиг.1. Блок-схема устройства гидрометеорологоакустических наблюдений за акваторией морского полигона.

Фиг.2. Блок-схема параметрического приемника звука.

Фиг.3. Схема блока диагностики нелинейного параметра среды.

Фиг.4. Схема узкополосного фильтра.

Фиг.5. Блок-схема спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах.

Фиг.6. Блок-схема логического модуля.

Фиг.7. Условия выделения Т-фазы.

Фиг.8. Профили скорости звука для разных дистанций.

Фиг.9. Вид сигналов от элементарных рассеивателей для различных узлов сетки.

Фиг.10. Результирующий сигнал от всех рассеивателей.

Фиг.11. График решающей статистики.

Фиг.12. Алгоритм работы логического блока.

Блок-схема устройства гидрометеорологоакустических наблюдений за акваторией морского полигона (фиг.1) включает гидрофон 1, предварительный усилитель (ПУ) 2, линию связи (ЛС) 3, широкополосный усилитель (ШУ) 4, анализатор спектра (АС) 5, индикатор 6, блок управления и синхронизации 7, блок выделения участка спектра (БВУС) 8, блок классификации шума моря (БКШМ) 9, блок определения скорости ветра (БОСВ) 10, блок определения волнения моря (БОВМ) 11, параметрический приемник звука (ППЗ) 12, блок диагностики нелинейного параметра среды (БДНПС) 13, спектральный анализатор акустических волн на комбинационных частотах (СААВКЧ) 14, узкополосный формирователь (УПФ) 15, логический модуль (ЛМ) 16.

Гидрофон 1 представляет собой пьезокерамический преобразователь в виде дисков (см., например: Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. 2-ое изд. М.: изд-во стандартов, 1982, 248 с.).

Параметрический приемник звука 12 (фиг.2) включает параметрическую антенну (ПА) 17, коммутационное устройство (КУ) 18, усилитель 19, пороговое устройство (ПУ) 20, тактовый генератор (ТГ) 21, интегратор 22, задающее устройство (ЗУ) 23, схему АРУ 24, счетчик импульсов (СИ) 25, ЦАП 26, генератор 27, запоминающий регистр 28, микропроцессор 29.

Параметрическая антенна 17 имеет вид круглого поршня, на которую в режиме излучения подаются напряжения двух высоких частот f₁ и f₂. В результате нелинейного взаимодействия волн этих частот в среде образуются волны суммарных и разностных частот, причем вдали от излучателя вследствие большого затухания высоких частот наибольшей амплитудой будет обладать волна разностной частоты f_р=f₁-f₂. На частоте f_р формируется характеристика направленности, значительно более острая, чем для этой же антенны в линейном режиме, и добавочные максимумы характеристики направленности имеют очень малую величину. Длина зоны взаимодействия l_в определяется как величина, обратная среднеарифметическому коэффициенту поглощения на частотах f₁ и f₂, а ширина характеристики направленности на уровне 07 определяется в соответствии с выражением 2θ_0,7≈1,6(λ_p/l_в)^1/2, где λ_р - длина волны на разностной частоте. Амплитудная характеристика направленности равна R(θ)=[1+(k_рl_в)²sin(θ/2)]^-1/2, где k_p - волновое число, соответствующее разностной частоте.

В режиме приема параметрическая антенна 17 формирует направленность следующим образом. На расстоянии L друг против друга устанавливаются излучатель и приемник, излученная волна высокой частоты взаимодействует с волной сигнала, распространяющегося в среде. В результате нелинейного взаимодействия этих волн образуются колебания различных частот, и, выделив в схеме обработки сигнал разностной частоты в случае L<l_в, формируется характеристика направленности вида причем полная ширина характеристики направленности определяется формулой 2θ_0,7≈1,88 (λ/L)^1/2 (см., например: Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная акустика. Л.: Судостроение, 1981, 264 с.).

Блок диагностики нелинейного параметра среды 13 (фиг.3) содержит центрирующий блок 30, умножитель 31, квадратор 32, компаратор 33 нулевого уровня, блок фильтров 34, делитель напряжения 35, функциональный преобразователь 36, сумматор 37, буферное устройство 38.

Узкополосный фильтр 15 (фиг.4) представляет собой следящий фильтр 2-го порядка астатизма и состоит из блока суммирования 39, двух накапливающих сумматоров 40 и 41, двух умножителей 42 и 43. Накапливающий сумматор 40 имеет инверсный вход 44.

Блок-схема спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах 15 (фиг.5) состоит из двух усилителей-ограничителей 45 и 46, регистра сдвига 47, двух схем совпадения 48, 49, двух схем И 50 и 51, управляемого генератора тактовых (продвигающих) импульсов 52, вычитающего устройства 53, блока вычислений 54 и представляет собой дискретное корреляционное устройство, принцип работы которого заключается в следующем.

Непрерывные входные сигналы заменяются знакопеременными сигналами постоянной амплитуды и знаки которых соответствуют знакам входных сигналов. Эта операция клиппирования выполняется посредством усилителей-ограничителей 45 и 46. Далее осуществляется построение знаковой взаимно-корреляционной функции, линейно связанной с вероятностью совпадения знаков входных сигналов:

где

- вероятность совпадения знаков входных сигналов.

Знаковая взаимно-корреляционная функция связана с обычной нормированной взаимно-корреляционной функцией двух величин, имеющих нормальное совместное распределение соотношением r₁₂(τ)=2/πarcsinρ₁₂(τ₃-τ_т).

Слежение за максимум взаимно-корреляционной функции осуществляется посредством дифференциальной системы слежения, сигналом рассогласования которой является разность двух значений взаимно-корреляционной функции, соответствующих задержкам τ₃₁=τ₃-Δτ.

Клиппированные сигналы и подаются на входы электронного коррелятора. Сигнал с параметрической антенны 17 поступает в регистр сдвига 47 с двумя отводами и переменной частотой продвигающих импульсов, выполняющей функции регулируемой задержки. В регистре сдвига 47 сигнал квантуется с частотой продвигающих импульсов f_п=1/Т_п и задерживается во времени. При этом задержка для первого отвода регистра равна τ₃₁=τ₃-Δτ=Т_п(N-n), а для второго отвода τ₃₂=τ₃+Δτ=T_п(N+n), где Т_п - период следования продвигающих импульсов; (N-n), (N+n) - соответствующие отводам числа ячеек регистра сдвига 47.

Сигналы с выходов регистра сдвига 47 поступают на входы схем совпадения 48 и 49, на вторые входы которых подается сигнал sgn[u₂(t)]=sgn[u₁(t-τ)]. С выходов схем совпадения 48 и 49 импульсные последовательности, соответствующие произведениям и поступают в интеграторы 50 и 51, в качестве которых могут использоваться счетчики импульсов.

Вычитающее устройство 53 вырабатывает сигнал рассогласования

воздействующий на управляемый генератор тактовых (продвигающих) импульсов 52 и изменяющий его частоту, т.е. введенную задержку τ₃=Т_пN, таким образом, чтобы рассогласование стало равным нулю. Так как корреляционная функция является четной функцией, то равенство нулю сигнала рассогласования наступает при равенстве введенной задержки транспортному запаздыванию: Δr=r₁₂(t-τ_T+Δτ)-r₁₂(t-τ_T-Δτ)=0.

В блоке вычислений 54 по измеренной частоте следования продвигающих импульсов с учетом масштабных коэффициентов определяется скорость звука на комбинационных частотах.

Логический модуль 16 (фиг.6) содержит блок регрессионного анализа 55, блок определения спада спектра 56, блок логической оценки 57 и микропроцессор 58. Аналогами блоков 55, 56 и 57 являются блоки, описанные в прототипе [7]. В качестве микропроцессора 58 применен микропроцессор типа КМ1801ВМ3. Выходная информация поступает на индикатор 6, потребителям информации (ПИ) или на диспетчерскую станцию (ДС). Алгоритм работы логического блока представлен на фиг.12.

На фиг.7 показана линия уровня скорости звука (через 2,5 м/с) и профиль дна акватории экспериментальных исследований. Место расположения параметрического приемника звука 12 отмечено звездочкой, область неоднородностей, на которых происходит рассеяние, обведена штриховой линией, находящейся на расстоянии 100...150 км от параметрического приемника звука 12.

На фиг.8 показаны профили скорости звука для дистанций 0, 48, 100 и 148 км.

На фиг.9 показан вид сигналов от элементарных рассеивателей с глубины 551 м для двух различных узлов сетки соответственно, для дистанций 140 (а, в) и 150 км (б, г). Ось абсцисс - время в сек, ось ординат - относительные единицы. Задержка, связанная с распространением на 10 км с групповой скоростью 1500 м/с, компенсирована.

На фиг.10 показан результирующий сигнал от всех рассеивателей. Ось абсцисс - время в сек, ось ординат - относительные единицы.

На фиг.11 представлен график решающей статистики. Ось абсцисс - время в сек, ось ординат - относительные единицы.

Выделение Т-фазы акустического сигнала, источниками которой являются относительное излучение звука дном моря на его наклонных участках, рассеянием волны разрежения либо сжатия, вызванной в воде опусканием либо поднятием участка морского дна, например, в результате землетрясения - поршневой волны - на объемных неоднородностях в воде, кавитацией в воде, в результате прохождения той же волны разряжения и рассеяния поршневой волны на взволнованной поверхности моря (см., например: Авилов К.В. Псевдодифференциальные параболические уравнения распространения звука в океане, плавно неоднородном по горизонтали, и их численное решение // Акустический журнал, 1995, том 41, №1, с.5-12), обусловлено необходимостью анализа сигнала Т-фазы на его происхождение относительно вторичных источников звука, возбуждаемых фронтом поршневой волны.

Эксперимент, подтверждающий возможность выделения и анализа сигнала Т-фазы акустической волны включал в себя регистрацию акустических сигналов посредством параметрического приемника звука 12, размещенного на акватории полигона на глубине 170 м при глубине места эксперимента 213 м, характеризующимся наличием берегового склона с различными наклонами и неоднородным по трассе распространения звука профилем скорости звука, обусловленного протекающим вдоль берега теплым течением. Рельеф дна был однородным со скоростью звука 1650 м/с и относительной плотности 1,9176. Некоторые вертикальные распределения скорости звука по трассе распространения приведены на фиг.8.

При этом поршневая волна была вызвана обрушением части дна, обведенной эллипсом (фиг.7) и находящейся с характерным горизонтальным размером обрушения 10 км, неоднородности располагались на глубинах 0...500 м.

Сигнал Т-фазы, принятый в береговом клине, рассчитывался в диапазоне частот 34...75 Гц при частоте квантования 160 Гц следующим образом. Область рассеяния поршневой волны была покрыта сеткой с шагом в половину длины волны на частоте 80 Гц по горизонтали и вертикали. Далее для узлов сетки были вычислены сигналы рассеяния, регистрируемые параметрическим приемником звука 12. При этом спектр, возбуждающий волну, предполагался обратно пропорциональным частоте f₁, а сила рассеяния - пропорциональной f₄, так что результирующий спектр рассеянного сигнала был пропорционален третьей степени частоты. Вычисление выполнялось методом псевдодифференциального параболического уравнения (источник информации см. выше: Авилов В.К....), обеспечивающего выделение звуковых полей в двумерно-неоднородном океане с переменными рельефом дна и профилем скорости звука с заданной точностью для любого диапазона углов скольжения локальных нормальных волн с учетом взаимодействия между ними (сигналы рассеяния для различных узлов сетки приведены на фиг.9).

Рассеянные сигналы суммировались в параметрическом приемнике звука с задержками, соответствующими одновременному возбуждению рассеивателей на постоянных глубинах, а глубины рассеивающих в данный момент времени слоев изменялись со скоростью движения поршневой волны 1500 м/с. Результирующий сигнал для поршневой волны, распространяющейся от 500 до 0 м показан на фиг.10.

Обработку модельного сигнала с целью проверки того факта, что его временная структура соответствует рассеянию фронта поршневой волны на неоднородностях строилась следующим образом. Наблюдаемый сигнал s(t) является суммой сигналов от последовательно возбуждаемых слоев. Представляя s в виде вектора-столбца временных отсчетов и обозначая через s_i векторы-столбцы сигналов от последовательно возбуждаемых слоев, имеем S=(s₁, s₂, ..., s_n)(a₁, а₂, ..., a_n)′, где a_i суть амплитуды рассеивателей. В качестве решающей статистики использовалась сумма квадратов амплитуд имеющая максимальное значение для сигнала ожидаемой структуры.

Оценка получена методом наименьших квадратов, так как система линейных уравнений является неопределенной. Вычисления выполнены для каждого момента времени для получения временной зависимости. Присутствие в ней максимума означает наличие в источнике ожидаемой структуры возбуждения звукового поля (фиг.11). Абсцисса глобального максимума соответствует времени прихода совокупного рассеянного сигнала, что подтверждает возможность анализа сигнала Т-фазы на его происхождение от вторичных источников звука, возбуждаемых фронтом поршневой волны в виде давления, вызванной обрушением либо поднятием участка моря дна, например, при подводном землетрясении.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Гидрофон 1 и параметрический приемник звука 12 размещаются в морской среде на акватории полигона. При использовании герметичных контейнеров, снабженных гидроакустической и/или спутниковой антенной для связи с береговыми или плавучими диспетчерскими станциями, то и другие блоки устройства могут быть размещены внутри герметичного контейнера.

Работа блоков 1-11 аналогична принципам работы блоков прототипа [7], за исключением того, что в анализаторе спектра 5 обработку сигналов выполняют путем применения быстрых преобразований Хартли (см., например: Залманзон Л.А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях. М.: Наука, 1989, с.201).

Сигналы с параметрического приемника звука 12 поступают на блок диагностики нелинейного параметра среды 13 и далее на узкополосный фильтр 15. В блоке 13 используются стандартные алгоритмы выделения первой гармоники. Для оценки ее амплитуды вычисляются коэффициенты первых членов косинусного и синусного рядов. Частота этой гармоники известна после применения к переменным узкополосного фильтра 15, представляющего собой следящий фильтр второго порядка астатизма с высокой добротностью порядка α≈0.001.

В блоке вычислений 54 спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах 14 вычисления производятся с использованием алгоритма быстрого преобразования Уолша (см. Залманзон Л.А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях. М.: Наука, 1989, с.237), что обусловлено необходимостью упрощения системы интегральных уравнений путем дискретизации флуктуационного поля ввиду того, что функция скорости звука в горизонтальной и вертикальной плоскостях определяется по опорным значениям в узлах прямоугольной сетки. При этом коэффициенты аппроксимации флуктуационного поля выражаются аналитически через интегралы по фрагментам опорного луча в отдельных ячейках сетки.

В логическом модуле 16 используется универсальный алгоритм на основе метода регуляризации по А.Н.Тихонову, минизирующий функционал, представляющий собой сумму невязок уравнений недоопределенной системы и стабилизатора первого порядка, представляющего собой сумму слагаемых, первое из которых не допускает больших абсолютных отклонений, второе контролирует вертикальные и третье - горизонтальные градиенты флуктуационного поля с использованием нормировочных коэффициентов.

Источники информации

1. Патент РФ №2066466.

2. Патент РФ №1240169.

3. Современные донные станции для сейморазведки и сейсмологического мониторинга / Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г. Леденев В.В., Парамонов А.А. // Научное приборостроение, 2003, том 13, №4, с.70-82.

4. High-precision water-level monitoring / Massatoshi Harigae, Isao Yamaguchi, Tokio Kasai, Hirotaka Igava, Hiroto Nakanishi, Takahiro Murayama, Yasunori Iwanaka, Hirotaka Suko // GPS World, April 2005.

5. Patent US №6847362 B2, 25 января 2005.

6. Загородников А.А. Радиолокационная съемка морской поверхности с летательных аппаратов. Л.: Судостроение, 1978, 376 с.

7. Патент РФ №2079168 С1.

Устройство гидрометеорологоакустических наблюдений за акваторией морского полигона, содержащее гидрофон, предварительный усилитель, линию связи, широкополосный усилитель, блок анализатора спектра, выход которого соединен с входом индикатора, блок выделения участка спектра, блок классификации шума моря, блок определения скорости ветра и блок определения волнения моря, соединенные последовательно, при этом выход блока выделения участка спектра соединен со входом блока определения скорости ветра, а выход блока классификации шума моря, выход блока определения скорости ветра и выход блока определения волнения моря соединены со входами индикатора, блок синхронизации и управления, управляемый вход которого соединен с выходом блока классификации шума моря, синхровыходы соединены с синхровходами блока анализатора спектра, блока выделения участка спектра, блока классификации шума моря, блока определения скорости ветра и блока определения волнения моря, отличающееся тем, что дополнительно введены параметрический приемник звука, блок диагностики нелинейного параметра среды, узкополосный фильтр, спектральный анализатор акустических волн на комбинационных частотах, логический модуль, при этом выход параметрического приемника звука соединен со входом блока диагностики нелинейного параметра среды, вход которого соединен с выходом блока управления и синхронизации, а выход - со входом узкополосного фильтра, выход которого соединен со входом спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах, выходы логического модуля соединены со входом индикатора и входом диспетчерской станции, а входы - с выходом спектрального анализатора акустических волн на комбинационных частотах, выходом блока анализатора спектра и выходом диспетчерской станции.